高寒地區(qū)冬季火電焊接施工

徐方利，方偉，姚澤軍

(四川電力建設(shè)二公司，四川成都610051)

高寒地區(qū)冬季火電焊接施工

徐方利，方偉，姚澤軍

(四川電力建設(shè)二公司，四川成都610051)

為了解決高寒地區(qū)冬季火電建設(shè)焊接施工中遇到的環(huán)境溫度過低難題，在現(xiàn)場采用搭設(shè)防風(fēng)取暖棚、環(huán)境輔助加熱等特殊措施，使焊接區(qū)域形成較小、較密閉的空間并提高其內(nèi)部環(huán)境溫度，以達(dá)到各種鋼材對焊接環(huán)境溫度的要求；熱處理時適當(dāng)增加加熱寬度、保溫厚度和恒溫時間，降低冷卻速度；焊后對焊縫進(jìn)行無損探傷、硬度檢測、金相檢驗及機(jī)械性能試驗，結(jié)果表明焊接質(zhì)量合格。采用這些特殊措施，使在寒冷的冬季進(jìn)行焊接也能獲得可靠的質(zhì)量，為工程建設(shè)爭取到可觀的經(jīng)濟(jì)效益和寶貴的時間。

高寒；焊接；保溫棚；輔助加熱

0 前言

陜西府谷清水川電廠位于陜西省最北端的府谷縣境內(nèi)，南距清水川河入黃河口約5km，東接山西，北臨內(nèi)蒙古，屬半干旱大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷，時間長。其冬季主要氣象要素為：極端最低氣溫－30℃，最冷月平均氣溫－8.1℃，最大積雪深度13 cm，最大凍土深度142 cm，冬季盛行風(fēng)向為西南風(fēng)，平均風(fēng)速2.5 m／s。

本工程為新建火力發(fā)電廠，建設(shè)規(guī)模2×300 MW空冷燃煤機(jī)組。按照計劃，必須在寒冷的冬季完成全部鍋爐受熱面小管道、大管道(集箱)和部分汽機(jī)四大管道的焊接施工，于2006年12月31日前基本具備水壓條件。

1 冬季焊接技術(shù)要求

(1)《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》DL／T869－2004要求各種鋼材允許進(jìn)行焊接施工的最低環(huán)境溫度如下：

a.AⅠ類。如20、20g、SA210、SA106A、SA106B等為－10℃。

b.AⅡ、AⅢ、BⅠ類。如16Mn、WB36、15CrMo、12Cr1MoV、P22等為0℃。

c.BⅡ、BⅢ類。如G102、P91、T91等為5℃。

(2)施工現(xiàn)場應(yīng)采取措施減小焊接場所的風(fēng)力，按GB50236－1998的要求，在進(jìn)行氬弧焊等氣體保護(hù)焊時，風(fēng)速不得超過2.0 m／s；在進(jìn)行焊條電弧焊時，風(fēng)速不得超過8.0 m／s。

(3)特殊情況下的焊前預(yù)熱要求。

a.在0℃及其以下，壁厚不小于6 mm的耐熱鋼管子、管件的焊接預(yù)熱溫度應(yīng)比規(guī)定值高30℃～50℃。

b.在－10℃及其以下，壁厚小于6 mm的耐熱鋼管子及壁厚大于15 mm的碳素鋼管在焊接前應(yīng)適當(dāng)預(yù)熱。

2 冬季焊接施工準(zhǔn)備

本工程鍋爐受熱面和汽機(jī)四大管道涉及到的鋼材種類比較多，幾乎涵蓋了從AⅠ到BⅢ的各個級別，高壓管道規(guī)格從φ 38～φ 812。尤其是對主蒸汽管道SA335P91鋼管的焊接要求非常嚴(yán)格。

清水川電廠地處西北高寒地區(qū)，冬季平均溫度－8℃，最低溫度可達(dá)－30℃，這樣的環(huán)境溫度根本不能滿足焊接施工的基本要求。通過查閱相關(guān)資料了解到，在低溫環(huán)境下焊接施工的主要質(zhì)量問題是焊縫被淬火、焊縫硬度偏高、裂紋，但是沒有較完整的高寒地區(qū)冬季焊接施工措施的資料。于是根據(jù)一些零散的資料、信息，結(jié)合本地氣候特點，通過反復(fù)的討論分析，決定在冬季施工時采取如下特殊措施。

(1)采取兩級防風(fēng)措施。首先在爐膛外圍依靠鋼結(jié)構(gòu)在冬季盛行風(fēng)向迎風(fēng)面采用帆布或彩條布設(shè)置一道防風(fēng)屏，然后在每個焊接區(qū)域較小的范圍內(nèi)采用帆布或彩條布設(shè)置第二道防風(fēng)屏。

(2)鍋爐管排安裝焊接時，先根據(jù)周圍設(shè)備情況用帆布將焊接區(qū)域四周進(jìn)行雙層封閉，只在頂部預(yù)留排煙孔，然后再采用加熱器等方式進(jìn)行加熱，同時在跳板、棚布上鋪石棉布，防止發(fā)生火災(zāi)，如圖1所示。

圖1 鍋爐管排安裝焊接的防風(fēng)措施

(3)四大管道組合焊接前，將預(yù)先制作好的2 m× 2 m移動式防風(fēng)取暖棚罩于管道上，然后將取暖棚底部及管道周圍采用帆布進(jìn)行遮圍。并在棚內(nèi)采用電加熱取暖器等方式進(jìn)行加熱升溫，保證棚內(nèi)環(huán)境溫度高于鋼材允許的最低環(huán)境溫度，滿足焊接施工的需要，如圖2所示。

(4)四大管道、鍋爐大管安裝焊接時采取與管排焊接時相似的防風(fēng)保溫取暖措施。

(5)環(huán)境加熱用的加熱器采用經(jīng)改進(jìn)后的熱處理加熱片，單片最大功率5～10 kW，同時采用熱處理自動控溫柜進(jìn)行控制，以便根據(jù)環(huán)境溫度、保溫棚保溫性能以及加熱空間等因素的不同實現(xiàn)對溫度的有效調(diào)節(jié)，保證保溫棚內(nèi)達(dá)到需要的溫度。環(huán)境溫度監(jiān)測采用測溫槍和溫度計。

(6)焊后熱處理時同樣需采取防風(fēng)措施和擋雪措施，避免出現(xiàn)較大溫度偏差或水淬而導(dǎo)致淬火、管道歪曲、硬度不合格；同時，熱處理保溫的厚度和寬度也要增加。

(7)焊接預(yù)熱措施。采取以上防風(fēng)保溫取暖措施后仍然達(dá)不到要求的最低溫度時，按以下要求進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后緩冷：

a.在0℃及其以下，壁厚不小于6 mm的耐熱鋼管子管件的焊接預(yù)熱溫度應(yīng)比規(guī)定值高30℃～50℃。

b.在－10℃及其以下，壁厚小于6 mm的耐熱鋼管子及壁厚大于15 mm的碳素鋼管在焊接前應(yīng)適當(dāng)預(yù)熱。

c.小管、密封、其他結(jié)構(gòu)件的焊接預(yù)熱主要采用火焰預(yù)熱，并采用紅外線測溫儀監(jiān)控預(yù)熱溫度。

圖2 四大管道組合焊接前的保溫措施

3 實施和改進(jìn)

3.1 兩級防風(fēng)和預(yù)熱措施

2006年11月13日，府谷地區(qū)開始降溫，早上8∶00氣溫僅0℃，開始啟動兩級防風(fēng)措施和預(yù)熱措施。在隨后的兩天均發(fā)現(xiàn)鍋爐、修配工地采用E4303 (J422)焊條在夜間焊接的焊縫出現(xiàn)裂紋。通過試驗、對比分析認(rèn)為，其原因是J422焊條在低溫下的焊縫力學(xué)性能降低，J422焊條適用的最低溫度在－10℃左右，于是在現(xiàn)場其他工地的鋼結(jié)構(gòu)焊接全部采用E5015(J507)焊條，并進(jìn)行焊前預(yù)熱。采取本措施后同類焊接施工未發(fā)現(xiàn)裂紋[1]。

受熱面小管在低溫情況下采用防風(fēng)和預(yù)熱措施后的焊縫經(jīng)射線(RT)和超聲波(UT)檢驗未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。

12Cr1MoV合金鋼小管按正常工藝進(jìn)行熱處理后的布氏硬度值偏高，個別達(dá)到260～270HB。分析認(rèn)為，其主要原因是環(huán)境溫度較低使焊縫冷卻速度較大，焊縫金相組織中珠光體比例增加。于是進(jìn)行模擬試驗，驗證了此類焊縫金相組織中并沒有淬硬馬氏體，通過適當(dāng)延長熱處理恒溫時間和減緩冷卻速度即可以降低焊縫硬度，焊縫拉伸、彎曲等機(jī)械性能也沒有明顯變化。采用φ 76×12的12Cr1MoV合金鋼小管作對比試驗獲得的數(shù)據(jù)如表1所示。

表112 Cr1MoV合金鋼小管工藝調(diào)整數(shù)據(jù)對比

3.2 鍋爐合金大管焊接

2006年11月27日，府谷地區(qū)開始大幅度降溫，28日8∶00時氣溫已降到－6℃，開始啟動大管道焊接防風(fēng)保溫取暖措施。以12月11日Ⅱ級減溫器進(jìn)出口管道(φ 610×80，12Cr1MoV)焊接為例，首先在10日下午搭設(shè)好防風(fēng)保溫棚，并布置好特制的加熱片；11日7∶30開始同時送電進(jìn)行焊口預(yù)熱和環(huán)境加熱；8∶00時環(huán)境溫度－13℃；8∶30焊工開始準(zhǔn)備，接通焊條保溫筒電源；9∶00時經(jīng)測溫槍測量防風(fēng)保溫棚內(nèi)溫度也達(dá)到4℃，已經(jīng)高于12Cr1MoV鋼種的最低焊接溫度，同時焊口預(yù)熱溫度已達(dá)到250℃，于是進(jìn)行焊接作業(yè)；10∶00時，環(huán)境溫度僅－9℃，防風(fēng)保溫棚內(nèi)溫度已達(dá)到6℃；15∶00時，環(huán)境溫度僅2℃，防風(fēng)保溫棚內(nèi)溫度已達(dá)到10℃；16∶00時，焊縫高度已達(dá)到規(guī)定的25 mm，停止焊接，按工藝要求進(jìn)行后熱、緩冷，并進(jìn)行射線(RT)檢驗，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷。12日按照以上程序及要求進(jìn)行了二次焊接。13日至14日，對此焊縫進(jìn)行了焊后高溫回火熱處理。15日，對此焊縫進(jìn)行了超聲波(UT)和硬度檢驗，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，平均布氏硬度值232 HB，屬正常范圍。焊接工程中各個時段保溫棚內(nèi)與外界環(huán)境溫度對比如表2所示，現(xiàn)場焊接照片如圖3所示。

表2 各個時段保溫棚內(nèi)與外界環(huán)境溫度對比

圖3 鍋爐合金大管焊接

2006年12月28日，鍋爐受熱面焊口累計完成17 479個，提前實現(xiàn)了工程預(yù)定目標(biāo)。

3.3 汽機(jī)主蒸汽管道焊接

2007年2月28日，汽機(jī)主蒸汽管道(SA335P91)開始組合焊接，但此時期氣溫仍然很低，8∶30時氣溫基本在－5℃以下，比SA335P91鋼種焊接最低5℃的要求低很多，于是啟動大管道焊接防風(fēng)保溫取暖措施。27日，鉗工對口完成后，將2 m×2 m移動式防風(fēng)取暖棚罩于管道上，并將取暖棚底部及管道周圍采用帆布進(jìn)行遮圍，同時在棚內(nèi)布置好特制的加熱片。28日7∶30分開始同時送電進(jìn)行焊口預(yù)熱和環(huán)境加熱；8∶30時環(huán)境溫度僅－5℃；焊工開始準(zhǔn)備，接通焊條保溫筒電源；9∶00時經(jīng)測溫槍測量防風(fēng)保溫棚內(nèi)溫度達(dá)到8℃，已經(jīng)高于SA335P91鋼種的最低焊接溫度，同時焊口預(yù)熱溫度已達(dá)到250℃，于是開始進(jìn)行焊接作業(yè)；10∶00時，環(huán)境溫度僅－2℃，防風(fēng)保溫棚內(nèi)溫度已達(dá)到9℃；18∶00時，焊接工作結(jié)束，此時環(huán)境溫度僅－1℃，但防風(fēng)保溫棚內(nèi)溫度仍然維持在10℃。2007年3月1日，對此焊縫進(jìn)行了焊后高溫回火熱處理；2日，進(jìn)行了超聲波(UT)和硬度檢驗，未發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，平均布氏硬度值266 HB，屬正常范圍。焊接過程中各個時段保溫棚內(nèi)與外界環(huán)境溫度對比如表3所示，現(xiàn)場焊接照片如圖4所示。

表3 各個時段保溫棚內(nèi)與外界環(huán)境溫度對比

2007年3月中旬，氣溫全面回升，基本都在5℃以上，停止實施冬季焊接施工特殊措施。

圖4 保溫棚內(nèi)主蒸汽管道焊接

2007年4月17日，1＃鍋爐水壓試驗(超壓按1.5倍工作壓力29.96 MPa進(jìn)行)一次成功，參與水壓試驗的鍋爐受熱面、汽機(jī)四大管道共計19 072道焊口無一滲漏，受到監(jiān)理、業(yè)主的高度評價，尤其是陜西省電力質(zhì)檢中心站通過全面的檢查，對焊接工作給予了高度贊揚(yáng)：焊接質(zhì)量保證體系完善，焊接施工管理一流，焊接工程整體質(zhì)量優(yōu)良。水壓試驗焊接完成工程量如表4所示。

表4 水壓試驗焊接完成工程量

4 施工經(jīng)驗總結(jié)

(1)氣溫低于－5℃時，普通鋼結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)采用低氫型焊條(E5015)，并且進(jìn)行焊前預(yù)熱及焊后緩冷。

(2)做好各項準(zhǔn)備工作，如防風(fēng)棚的制作、特殊加熱片的配置等。

(3)防風(fēng)措施應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行。如果風(fēng)較大，則應(yīng)在焊接量大、施工時間較長的區(qū)域周圍采用彩鋼板等搭設(shè)剛性固定防風(fēng)屏。

(4)環(huán)境加熱設(shè)備應(yīng)選用功率較大、可調(diào)節(jié)式加熱控制柜。熱處理控溫柜可作為環(huán)境加熱控制柜。

(5)合金鋼大管道應(yīng)采用防風(fēng)保溫取暖措施，棚內(nèi)環(huán)境溫度一定要高于最低焊接溫度才能開始焊接。

(6)焊條保溫筒在現(xiàn)場應(yīng)接通電源進(jìn)行加熱保溫。

(7)低溫下采用預(yù)熱措施焊接的合金鋼小管焊縫，按正常工藝進(jìn)行熱處理后硬度值可能偏高，此時可適當(dāng)延長熱處理恒溫時間和減緩冷卻速度來降低焊縫硬度。

(8)焊后熱處理時，同樣要采取防風(fēng)、擋雪措施，同時，熱處理保溫的厚度和寬度也要增加。

5 成本投入和效益分析

在本次冬季焊接施工過程中直接支出的額外材料、設(shè)備、人工成本統(tǒng)計如表5所示。

表5 施工支出統(tǒng)計

從表5可以看出，冬季焊接施工直接增加施工成本約10萬元，但是，從2006年11月中旬到2007年3月初，歷時3個月，鍋爐安裝工作持續(xù)、順利進(jìn)行，如若這段時間停止施工，僅大型機(jī)具(250 t履帶吊一臺、DBQ3000一臺)和60臺電焊機(jī)閑置費就高達(dá)百萬之多。更重要的是，在保證施工質(zhì)量的前提下按時完成了工期任務(wù)，為工程的早日投產(chǎn)使用贏得了寶貴的時間，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

6 結(jié)論

在高寒地區(qū)寒冷漫長的冬季，只要采取合適的防風(fēng)保溫取暖(預(yù)熱)措施，完全可以進(jìn)行鍋爐受熱面和汽機(jī)四大管道(既包括SA335P91鋼種在內(nèi)的各個等級的鋼種)的焊接施工，并且能夠獲得可靠的焊接質(zhì)量，時使工程建設(shè)得以持續(xù)進(jìn)行，有效縮短工程建設(shè)周期，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

[1]趙愷，周善心.西氣東輸二線冬季野外焊接技術(shù)[J].電焊機(jī)，2009，39(5)：172－174.

Weld procedure during winter in cold zone

XU Fang-li，F(xiàn)ANG Wei，YAO Ze-jun
(The No.2 Sichuan Electrical Power Construction Company，Chengdu 610051，China)

Measures for low ambient temperature of weld during winter in the thermal power plants which locat in cold zone，erect windbreak＆warming shelter and use auxiliary heater to create a smaller and more insulated space to provide various internal temperature for welding different steels.During heat treatment，properly widen heating belt，increase insulation thickness and constant temperature time and slow cooling speed.After welding，carry out NDT，hardness test，metallographical test and mechanical property test to ensure all weld seams are qualified.The measures can guarantee reliable welding quality even during winter，have considerable economic benefit and precious time for construction.

cold zone；weld；insulated shelter；auxiliary heating

book=8,ebook=82

TG441

B

1001－2303(2010)08－0078－04

2009－12－04

徐方利(1975—)，男，四川人，工程師，學(xué)士，主要從事火電建設(shè)焊接技術(shù)管理工作。